(57)【要約】【課題】長期停止後等にpHが酸性又はアルカリ性に傾いた際の燃料電池起動時にラジエータの腐食を防止することを目的とする。【解決手段】本発明の燃料電池の冷却水制御装置は、冷却水ポンプと、ラジエータと、イオン交換樹脂フィルタと、燃料電池の起動時に、冷却水をラジエータを迂回して循環させ、冷却水温度が所定温度より高くなったとき、ラジエータを経由するように循環させる冷却水流路切替手段とを備え、燃料電池の起動時に、冷却水の温度が所定温度まで達するのに要する時間である暖機終了時間を推定し（Ｓ２）、燃料電池の起動時に、冷却水中のイオンが捕捉されることにより冷却水の導電率が所定の導電率まで低下するのに要する時間である導電率低下時間を推定し（Ｓ３）、導電率低下時間が暖機終了時間より長いとき（Ｓ４）、導電率低下時間が暖機終了時間以下となるように燃料電池の発電量を抑制する（Ｓ５）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に循環供給する冷却水の流量を調節する冷却水ポンプと、
冷却水中の熱を放熱させるラジエータと、
冷却水中のイオンを捕捉するイオン交換樹脂フィルタと、
前記燃料電池の起動時に、冷却水を前記ラジエータを迂回して循環させ、冷却水温度が所定温度より高くなったとき、前記ラジエータを経由するように循環させる冷却水流路切替手段と、
前記燃料電池の起動時に、冷却水の温度が所定温度まで達するのに要する時間である暖機終了時間を推定する暖機終了時間推定手段と、
前記燃料電池の起動時に、冷却水中のイオンが捕捉されることにより冷却水の導電率が所定の導電率まで低下するのに要する時間である導電率低下時間を推定する導電率低下時間推定手段と、
前記導電率低下時間が前記暖機終了時間より長いとき、前記導電率低下時間が前記暖機終了時間以下となるように前記燃料電池の発電量を抑制する発電量抑制手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池の冷却水制御装置。
【請求項２】
前記導電率低下時間が前記暖機終了時間より長いとき、前記導電率低下時間が前記暖機終了時間以下となるように、冷却水の流量と前記イオン交換樹脂フィルタの交換効率との関係に基づいて冷却水の流量を設定する流量設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却水制御装置。
【請求項３】
燃料電池に循環供給する冷却水の流量を調節する冷却水ポンプと、
冷却水中の陰イオンを捕捉する陰イオン交換樹脂と、
冷却水中の陽イオンを捕捉する陽イオン交換樹脂と、
前記陰イオン交換樹脂と前記陽イオン交換樹脂とに流れる冷却水の通水割合を切り替える通水量切替手段と、
を備え、
冷却水のｐＨに応じて前記陰イオン交換樹脂と前記陽イオン交換樹脂との冷却水の通水割合が設定されることを特徴とする燃料電池の冷却水制御装置。
【請求項４】
前記陰イオン交換樹脂及び前記陽イオン交換樹脂は、それぞれ別体として陰イオン交換樹脂フィルタ及び陽イオン交換樹脂フィルタを構成し、
冷却水のｐＨが略中性となるように前記陰イオン交換樹脂フィルタ及び前記陽イオン交換樹脂フィルタへの冷却水の流量配分を制御する流量配分制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却水制御装置。
【請求項５】
前記流量配分制御手段は、冷却水が酸性であるほど前記陰イオン交換樹脂フィルタへの冷却水の流量を多くし、冷却水がアルカリ性であるほど前記陽イオン交換樹脂フィルタへの冷却水の流量を多くするように冷却水の流量配分を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の冷却水制御装置。
【請求項６】
前記陰イオン交換樹脂及び前記陽イオン交換樹脂は、混床で充填される一体のイオン交換樹脂フィルタを構成し、
冷却水が循環する流路内の部材によって決定される陰イオン及び陽イオンの溶出比に基づいて、冷却水のｐＨが略中性となるように前記陰イオン交換樹脂及び前記陽イオン交換樹脂の充填割合が予め設定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の冷却水制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の冷却水制御装置において、特に燃料電池起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを化学反応させることで電気エネルギーを取り出すものである。上記反応では反応熱が生じるので、この熱を取り除くために燃料電池には冷却水が循環供給される。しかし、冷却水循環系には金属イオンなどの各種イオンが溶け込むので、導電率が上昇して電気絶縁性が低下するおそれがある。
【０００３】
そこで、冷却水循環系にイオン交換器を設け、冷却水中のイオンを除去することで導電率を低下させる技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１００３８３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、長時間燃料電池を停止していた後の起動時は、冷却水中の各種イオンの溶け込み量が多く導電率が高くなっているとともに、ｐＨが酸性又はアルカリ性となっている場合がある。燃料電池システムの冷却系において、ラジエータ、その他熱交換器、冷却水経路内のケース、配管としてアルミ材が使用された場合、ｐＨが酸性又はアルカリ性となっている冷却水を流すとアルミ材の接液面が腐食するおそれがある。
【０００５】
本発明は、ｐＨが酸性又はアルカリ性に傾いている際のアルミ材の腐食を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、冷却水ポンプと、ラジエータと、イオン交換樹脂フィルタと、燃料電池の起動時に、冷却水をラジエータを迂回して循環させ、冷却水温度が所定温度より高くなったとき、ラジエータを経由するように循環させる冷却水流路切替手段とを備え、燃料電池の起動時に、冷却水の温度が所定温度まで達するのに要する時間である暖機終了時間を推定し、燃料電池の起動時に、冷却水中のイオンが捕捉されることにより冷却水の導電率が所定の導電率まで低下するのに要する時間である導電率低下時間を推定し、導電率低下時間が暖機終了時間より長いとき、導電率低下時間が暖機終了時間以下となるように燃料電池の発電量を抑制する。
【０００７】
また第２の発明は、冷却水ポンプと、陰イオン交換樹脂と、陽イオン交換樹脂と、陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂とに流れる冷却水の通水割合を切り替える通水量切替手段とを備え、冷却水のｐＨに応じて陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂との冷却水の通水割合が設定される。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によると、燃料電池起動時に発電量を抑制することで燃料電池の発熱量を抑え暖機が終了するまでに要する時間を長くすることにより、冷却水がラジエータを経由して循環される前に冷却水の導電率を所定の導電率まで低下させることができるので、暖機が終了して冷却水がラジエータを流通してラジエータが腐食されることを防止できる。
【０００９】
また第２の発明によると、冷却水のｐＨに応じて陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂との冷却水の通水割合が設定されるので、迅速に冷却水のｐＨをラジエータが腐食しない程度のｐＨに移行させることができ、燃料電池の起動時に暖機時間を長くすることなくラジエータの腐食を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は本実施形態における燃料電池の冷却水制御装置の概略構成図である。なお、図１では燃料ガス及び酸化剤ガスの流路は省略してある。
【００１１】
燃料電池１は２つの電極が電解質膜を挟むように配置され、一方の電極には水素を含有する燃料ガスが、他方の電極には酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、水素と酸素が化学反応することで電気エネルギーを生じる。
【００１２】
ラジエータ２はアルミ製であり、内部に冷却水を流通させることで、冷却水から熱を放散させる。
【００１３】
冷却水流路３は、冷却水が燃料電池１からラジエータ２まで流れ、さらにラジエータ２から燃料電池１まで還流可能なように配設される。また、連通路４が冷却水流路間を連通するように設けられ、連通路４と冷却水流路３との接続部のうち一方には流路を切り替える第１の三方弁５が設けられる。
【００１４】
冷却水ポンプ６は冷却水流路３の途中に設けられ、冷却水を冷却水流路内で還流させる。
【００１５】
イオン交換樹脂フィルタ７は、冷却水流路内に設けられ、冷却水中に溶け込む各種イオンを取り除く。
【００１６】
温度センサ８及び導電率センサ９は冷却水流路３の途中に設けられ、それぞれ冷却水の温度及び導電率を検出してコントローラ１０へ送信する。
【００１７】
コントローラ１０は冷却水の温度及び導電率に基づいて燃料電池１の発電量及び冷却水の流量を制御する。
【００１８】
燃料電池１の冷却水制御装置は以上のように構成されており、燃料電池１の起動時は迅速に暖機を完了させるため、冷却水がラジエータ２を流通しないように第１の三方弁５を作動させ、連通路４を経由して循環させる。その後冷却水温度が上昇して暖機が終了したと判断できる温度になったとき、第１の三方弁５を作動させて冷却水がラジエータ２を流通するように循環させる。なお、連通路４には冷却水を循環させない方が好ましいが、ラジエータ２の耐腐食性を考慮し、連通路４に流れる循環水量を決定することができる。
【００１９】
次にコントローラ１０で行う制御について図２のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２０】
ステップＳ１では、冷却水の温度及び導電率を読み込む。冷却水の温度及び導電率はそれぞれ温度センサ８及び導電率センサ９によって検出された値である。
【００２１】
ステップＳ２（暖機終了時間推定手段）では、暖機終了時間を演算する。暖機終了時間とは冷却水温度が所定温度となって暖機が終了したと判断できるまでに要する時間である。発電量に応じて時間と冷却水温度の上昇との関係を予め実験などによって求めておき、発電量及び冷却水温度に基づいて暖機終了時間を演算する。
【００２２】
ステップＳ３（導電率低下時間推定手段）では、導電率低減時間を演算する。導電率低減時間とは冷却水の導電率がラジエータ２を腐食することがない所定の導電率まで低下するのに要する時間である。ここで、冷却水は循環しながらイオン交換樹脂フィルタ７によって各種イオンが捕捉されるので、導電率は起動後徐々に低下する。
【００２３】
初めに、図３に示すマップを参照して冷却水ポンプ６の出力に依存する冷却水の通水量に基づいてイオン交換樹脂フィルタ７における交換効率を演算する。次に、予め実験などによって求めておいた、交換効率ごとの時間と導電率の低下との関係に基づいて導電率低減時間を演算する。なお、交換効率はイオン交換樹脂フィルタ７の入口側のイオン量から出口側のイオン量を減算したものを入口側のイオン量で除算することで演算される。
【００２４】
ステップＳ４では、導電率低減時間が暖機終了時間以上であるか否かを判定する。導電率低減時間が暖機終了時間以上であればステップＳ５へ進み、導電率低減時間が暖機終了時間より小さければ処理を終了する。暖機終了時間と導電率低減時間との関係は図４に示すようになり、燃料電池１の起動とともに冷却水が循環することで冷却水温度が上昇するとともに導電率は低下する。冷却水温度が暖機終了と判断できる所定温度に達するまでに、導電率がラジエータ２を腐食することがない所定の導電率まで低下していなければラジエータ２が腐食されるおそれがある。そこで、このような場合には以下の制御を行う。
【００２５】
ステップＳ５（発電量抑制手段、流量設定手段）では、燃料電池１の発電量を抑制するとともに、冷却水の流量を調整する。燃料電池１の発電量は燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を低減することで抑制され、これにより燃料電池１から生じる熱量が低下して暖機終了時間が長くなる。
【００２６】
また、冷却水の流量は冷却水ポンプ６の出力を制御することで調節される。ここで、図５に示すように冷却水流量が多くなるほど単位流量あたりのイオン捕捉量は少なくなるが、単位時間当たりにするとイオン捕捉量は極大値を有する。冷却水ポンプ６の出力は、イオン交換樹脂フィルタ７の単位時間当たりイオン捕捉量が最大となる冷却水流量となるように設定され、これにより導電率低減時間が短くなる。
【００２７】
以上のように本実施形態では、燃料電池１の暖機が終了するまでに冷却水の導電率が所定の導電率まで低下しないと判断されるとき、燃料電池１の発電量を抑制することで燃料電池１の発熱量を抑え暖機が終了するまでに要する時間を長くすることにより、暖機が終了して第１の三方弁５が切り替えられ、冷却水がラジエータ２を経由して循環される前に冷却水の導電率を所定の導電率まで低下させることができるので、冷却水がラジエータ２に流通してもラジエータ２が腐食されることを防止できる。
【００２８】
また、燃料電池１の発電量を抑制することに加えて、冷却水の流量をイオン交換樹脂フィルタ７の単位時間当たりイオン捕捉量が最大となる流量に調節することで導電率低減時間が短くなり、暖機が終了して冷却水がラジエータ２を経由して循環される前に冷却水の導電率を所定の導電率まで低下させることができるので、冷却水がラジエータ２に流通してもラジエータ２が腐食されることをより確実に防止できる。
【００２９】
（第２実施形態）
図６は本実施形態における燃料電池１の冷却水制御装置の概略構成図である。なお、図６では燃料ガス及び酸化剤ガスの流路は省略してある。第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００３０】
本実施形態の燃料電池１の冷却水制御装置は第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、イオン交換樹脂フィルタ２１、２２が陰陽別体として並列に設けられ、それぞれのイオン交換樹脂フィルタ２１、２２へ向かう流路の分岐点に第２の三方弁２３が設けられる。また、第１実施形態の導電率センサ９の代わりにｐＨセンサ２４が設けられ、温度センサ８は設けられていない。
【００３１】
陰イオン交換樹脂フィルタ２１は冷却水中の陰イオンのみを捕捉し、陽イオン交換樹脂フィルタ２２は冷却水中の陽イオンのみを捕捉する。
【００３２】
第２の三方弁２３は燃料電池内を流通した冷却水を陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２へ所望の配分比率で流通させるように流路を調節する。
【００３３】
ｐＨセンサ２４は冷却水のｐＨを測定してコントローラ２５へ送信する。
【００３４】
コントローラ２５は導電率に基づいて第２の三方弁２３を制御する。
【００３５】
次にコントローラ２５で行う制御について図７のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３６】
ステップＳ１０では、ｐＨセンサ２４で測定された冷却水のｐＨを読み込む。
【００３７】
ステップＳ２０では、冷却水のｐＨが中性か否かを判定する。中性であれば処理を終了し、中性でなければステップＳ３０へ進む。
【００３８】
ステップＳ３０では、流量配分比率を演算する。陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２における冷却水流量と各イオン存在量との関係は図８のマップに示すようになり、このマップを参照してｐＨがアルミが腐食しない程度となるように各イオン交換樹脂フィルタ２１、２２に流通させる冷却水の配分比率を演算する。なお、アルミが腐食しない程度のｐＨとは図９に示すようにｐＨが中性付近にあるときである。
【００３９】
すなわち、冷却水が酸性であるほど陰イオン交換樹脂フィルタ２１への冷却水の流量が多くなるように、冷却水がアルカリ性であるほど陽イオン交換樹脂フィルタ２２への冷却水の流量が多くなるように流量配分比率を演算する。
【００４０】
ステップＳ４０（流量配分制御手段）では、第２の三方弁２３を制御して流量配分比率を変更する。これにより、冷却水のｐＨはアルミが腐食しない程度の値となる。
【００４１】
以上のように本実施形態では、冷却水のｐＨが中性でないと判断されると、冷却水のｐＨがラジエータ２が腐食しない程度の値となるように、陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２への冷却水の配分比率を変更するので、燃料電池１の発電量を抑制することなくラジエータ２の腐食を防止することができる。
【００４２】
また、冷却水が酸性であるほど陰イオン交換樹脂フィルタ２１への冷却水の流量を多くし、冷却水がアルカリ性であるほど陽イオン交換樹脂フィルタ２２への冷却水の流量を多くするので、より確実に冷却水のｐＨをラジエータ２が腐食しない程度の値にすることができ、ラジエータ２の腐食を防止することができる。
【００４３】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
【００４４】
例えば、第２実施形態ではｐＨセンサ２４を用いて冷却水のｐＨを測定し、陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２への流量配分を制御しているが、これに代えて第２の三方弁２３を用いることなく予め陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２を所望の形状、大きさ及び通水量として設けてもよい。
【００４５】
燃料電池システムに使用される部材によって陰イオン及び陽イオンの溶出比は決まるので、陰イオン交換樹脂フィルタ２１及び陽イオン交換樹脂フィルタ２２の形状、大きさ及び通水量は、この溶出比に基づいてイオン交換樹脂フィルタを通過した後の冷却水のｐＨが中性となるように設定される。例えば、金属配管のようなものであれば、金属イオンが多く溶出するため、陽イオン交換樹脂の量を多くし、部材から硫酸イオン、塩化物イオンが溶出するものであれば、陰イオン交換樹脂の量を多くするようにする。これにより、ｐＨセンサを設けることなくシステムを簡素化することができる。
【００４６】
また、陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂を別体とせず、それぞれのイオン交換樹脂を図１０に示すように混床で充填した一体のイオン交換樹脂フィルタ３１としてもよい。この場合、陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂の混合比は、上述のように陰イオン及び陽イオンの溶出比に基づいてイオン交換樹脂フィルタ３１を通過した後の冷却水のｐＨが中性となるように設定される。これにより、システムの簡素化に加えて装置を小形化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】第１実施形態における燃料電池の冷却水制御装置を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池の冷却水制御装置の制御を示すフローチャートである。
【図３】イオン交換樹脂フィルタの通水量と交換効率との関係を示すテーブルである。
【図４】冷却水の温度及び導電率の変化を示すタイムチャートである。
【図５】イオン交換樹脂における冷却水の流量と単位流量当たりのイオン捕捉量及び単位時間当たりのイオン捕捉量との関係を示すテーブルである。
【図６】第２実施形態における燃料電池の冷却水制御装置を示す概略構成図である。
【図７】第２実施形態における燃料電池の冷却水制御装置の制御を示すフローチャートである。
【図８】陰イオン交換樹脂フィルタ及び陽イオン交換樹脂フィルタにおける冷却水流量と各イオン存在量及び冷却水のｐＨとの関係を示すテーブルである。
【図９】冷却水のｐＨとアルミの腐食し易さとの関係を示すテーブルである。
【図１０】陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂を混床で充填したイオン交換樹脂フィルタを示す概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  燃料電池
２  ラジエータ
３  冷却水流路
４  連通路
５  第１の三方弁
６  冷却水ポンプ
７  イオン交換樹脂フィルタ
８  温度センサ
９  導電率センサ
１０  コントローラ
２１  陰イオン交換樹脂フィルタ
２２  陽イオン交換樹脂フィルタ
２３  第２の三方弁
２４  ｐＨセンサ
２５  コントローラ
３１  イオン交換樹脂フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007299574.tif 000009
【図８】
2007299574.tif 000010
【図９】
2007299574.tif 000011
【図１０】
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